石照耀，程慧明，朱逸文，張 攀，張臨濤，丁宏鈺

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

1 引 言

關(guān)節(jié)是服務(wù)機(jī)器人執(zhí)行姿態(tài)變換的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)服務(wù)機(jī)器人的整機(jī)性能和可靠性起決定性作用。關(guān)節(jié)主要由傳動(dòng)、控制和傳感部分組成[1-2]。其中，傳動(dòng)部分由電機(jī)、減速器和結(jié)構(gòu)件組成，控制部分由驅(qū)動(dòng)模塊及控制通信模塊組成，傳感器部分使用了關(guān)節(jié)位置傳感器和電機(jī)位置傳感器。

隨著服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，關(guān)節(jié)的種類不斷增加，性能也不斷優(yōu)化。與此同時(shí)，對(duì)關(guān)節(jié)性能的表征、測(cè)試和評(píng)價(jià)也成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。全面考察機(jī)器人關(guān)節(jié)測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)整體上呈現(xiàn)出三個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，國內(nèi)外研發(fā)的大量測(cè)試設(shè)備主要針對(duì)大中型關(guān)節(jié)的性能測(cè)試[3]，此類設(shè)備多面向直徑大于100 mm的關(guān)節(jié)，并且此類關(guān)節(jié)的輸出力矩僅可以達(dá)到120 N·m以上，而小型關(guān)節(jié)尺寸為33 mm×15 mm×18.5 mm，最大輸出力矩為0.02 N·m，考慮到測(cè)量精度，實(shí)用性及設(shè)計(jì)成本等因素，小型關(guān)節(jié)和大型關(guān)節(jié)不宜用相同設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，而針對(duì)小型或微小型關(guān)節(jié)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備幾乎是空白；第二，對(duì)關(guān)節(jié)的測(cè)試主要集中在對(duì)減速器的測(cè)試上，而不是將關(guān)節(jié)作為一個(gè)整體進(jìn)行測(cè)試[4-9]；第三，測(cè)試參數(shù)集中于關(guān)節(jié)精度和機(jī)械性能上，缺少電參數(shù)測(cè)試及其與機(jī)械參數(shù)的融合分析[10]。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，為解決服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)的測(cè)試難題，本文研發(fā)了服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)成套測(cè)試技術(shù)與儀器。該測(cè)試機(jī)將構(gòu)成小型關(guān)節(jié)的傳動(dòng)、控制和傳感作為一個(gè)整體，能實(shí)現(xiàn)對(duì)其傳動(dòng)精度、機(jī)械特性和電參數(shù)的綜合測(cè)量，進(jìn)而分析性能參數(shù)間的關(guān)系。

2 小型關(guān)節(jié)介紹

典型的小型關(guān)節(jié)如圖1所示，它由直流無刷電機(jī)、平行軸直齒圓柱輪減速器、磁編碼位置傳感器、控制器和塑料箱體等5大部分組成。待測(cè)小型關(guān)節(jié)參數(shù)如表1所示，該類型小型關(guān)節(jié)尺寸在33 mm×15 mm×18.5 mm～63 mm×34 mm×63.9 mm之間，輸出扭矩為0.2～6 N·m,堵轉(zhuǎn)電流在0.3～3.5 A，最大轉(zhuǎn)速不超過70 r/min。

表1 小型關(guān)節(jié)參數(shù)

圖1 小型關(guān)節(jié)Fig.1 Small-size EMA

3 測(cè)量原理

3.1 傳動(dòng)精度測(cè)量

傳動(dòng)誤差和回差是評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)輸出精度的主要指標(biāo)。傳動(dòng)誤差既反映了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制造誤差和安裝誤差，又反映了其抵抗外界環(huán)境(如溫度、負(fù)載等)的能力?；夭顒t反映了關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙，主要由空程回差、彈性回差和溫度回差等組成。傳動(dòng)誤差和回差的存在會(huì)造成機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系的非線性，影響機(jī)器人系統(tǒng)的重復(fù)定位精度和動(dòng)態(tài)性能。

3.1.1 傳動(dòng)誤差測(cè)量

根據(jù)國標(biāo)GB/T 35089-2018對(duì)精密減速器傳動(dòng)誤差的定義[11]，傳動(dòng)誤差的計(jì)算公式為：

(1)

其中:θout為輸出端的實(shí)際轉(zhuǎn)角，θin為輸入端轉(zhuǎn)角，R為減速器的速比值。

小型關(guān)節(jié)的傳動(dòng)誤差指：對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)任意轉(zhuǎn)角，關(guān)節(jié)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之間的差值。測(cè)試機(jī)使用高精度圓光柵采集關(guān)節(jié)輸出端的實(shí)際轉(zhuǎn)角θout。使用小型關(guān)節(jié)的電機(jī)位置傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)角θin。在測(cè)量過程中，測(cè)控軟件控制關(guān)節(jié)做正反向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，待轉(zhuǎn)速載荷平穩(wěn)后，等時(shí)間采集轉(zhuǎn)角數(shù)值，繪制正反向的傳動(dòng)誤差曲線，并計(jì)算一周內(nèi)傳動(dòng)誤差的最小值、最大值、極差和均方根值。

3.1.2 回差測(cè)量

小型關(guān)節(jié)的回差測(cè)量采用動(dòng)態(tài)測(cè)量法和靜態(tài)測(cè)量法[12]。

動(dòng)態(tài)測(cè)量法實(shí)為雙向傳動(dòng)誤差法，如圖2所示。首先測(cè)出關(guān)節(jié)正向傳動(dòng)誤差曲線TEz(θ)，然后在相同條件下測(cè)出關(guān)節(jié)反向傳動(dòng)誤差曲線TEf(θ)，二者之差即為動(dòng)態(tài)回差曲線[13]：

δ(θ)=TEf(θ)-TEz(θ).

(2)

圖2 雙向傳動(dòng)誤差法測(cè)量原理Fig.2 Measuring principle of bidirectional transmission error

靜態(tài)測(cè)量法即滯回曲線法[14]，如圖3所示。

圖3 滯回曲線Fig.3 Hysteresis curves

3.2 電參數(shù)測(cè)量

電參數(shù)反映了小型關(guān)節(jié)在工作狀態(tài)下電流、轉(zhuǎn)速、功率、效率與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。電參數(shù)測(cè)量分為空載測(cè)量與負(fù)載測(cè)量。空載測(cè)量是指小型關(guān)節(jié)輸出端不施加負(fù)載的情況下，測(cè)量關(guān)節(jié)的電流及轉(zhuǎn)速；負(fù)載測(cè)量是指小型關(guān)節(jié)輸出端加載的情況下，測(cè)試關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩與電流、轉(zhuǎn)速、效率和輸出功率之間的關(guān)系。

測(cè)量時(shí)首先讓關(guān)節(jié)以最高轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行一定時(shí)間，功率分析儀及光柵定時(shí)進(jìn)行采樣，將該時(shí)間內(nèi)小型關(guān)節(jié)的電流及轉(zhuǎn)速的平均值作為關(guān)節(jié)空載電流和空載轉(zhuǎn)速。接著，通過測(cè)控軟件控制負(fù)載電機(jī)梯度加載，直到小型關(guān)節(jié)堵轉(zhuǎn)為止，功率分析儀、光柵以及力矩傳感器同時(shí)進(jìn)行采樣，記錄關(guān)節(jié)從最高速轉(zhuǎn)動(dòng)至堵轉(zhuǎn)過程中電流、輸入功率、轉(zhuǎn)速和力矩的數(shù)值，繪制轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩-電流曲線、轉(zhuǎn)矩-效率曲線以及轉(zhuǎn)矩-功率曲線。小型關(guān)節(jié)效率的計(jì)算公式為：

(3)

其中:pout為輸出端功率，它是機(jī)械功率，根據(jù)輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積求得；輸入端功率pin為電功率，可以由功率分析儀直接測(cè)得。

3.3 反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)量

反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)的整機(jī)特性，指的是輸出端反向施加載荷使輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要的力矩值，反映了小型關(guān)節(jié)負(fù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)需要克服的最大靜摩擦力。測(cè)試反向啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以判定小型關(guān)節(jié)的自鎖力矩范圍，檢測(cè)減速齒輪裝配情況，對(duì)特殊工況下研究小型關(guān)節(jié)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要的力矩及電力參數(shù)具有重要意義。

試驗(yàn)在小型關(guān)節(jié)斷電情況下進(jìn)行，通過測(cè)控軟件控制加載電機(jī)等時(shí)間緩慢梯度增加輸出軸力矩，直到關(guān)節(jié)克服最大靜摩擦力轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集該過程中輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，繪制出力矩-轉(zhuǎn)角曲線，輸出端的峰值轉(zhuǎn)矩即為關(guān)節(jié)的反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

4 工作原理

測(cè)試機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，工作原理如圖4所示。小型關(guān)節(jié)被安裝在夾具組件上，測(cè)量時(shí)由工控機(jī)通過CAN通信模塊向關(guān)節(jié)發(fā)送指令，控制其按照設(shè)定的方式運(yùn)動(dòng)。負(fù)載電機(jī)由工控機(jī)通過控制卡控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的力矩控制。小型關(guān)節(jié)輸入端和輸出端的實(shí)際轉(zhuǎn)角分別由小型關(guān)節(jié)內(nèi)部的編碼器和圓光柵采集，它們采集的角度數(shù)據(jù)分別通過CAN通信模塊和數(shù)據(jù)采集卡傳送到工控機(jī)。被測(cè)小型關(guān)節(jié)的力矩變化依托力矩傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量，高精度的功率分析儀用于監(jiān)測(cè)測(cè)量過程中被測(cè)關(guān)節(jié)電流、電壓及功率信號(hào)的變化。

表2 小型關(guān)節(jié)測(cè)試機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 小型關(guān)節(jié)測(cè)試機(jī)的工作原理Fig.4 Principle for small-size EMA testing machine

5 測(cè)試機(jī)的組成

5.1 精密機(jī)械系統(tǒng)

如圖5所示，小型關(guān)節(jié)測(cè)試主機(jī)由基座、夾具組件及安裝組件組成。它采用臥式結(jié)構(gòu)，以大理石平臺(tái)為基座，夾具組件通過精密導(dǎo)軌與基座相連，充分保證更換被測(cè)件后測(cè)試結(jié)果良好的重復(fù)性及精度。安裝組件包括用于圓光柵安裝的精密軸承和力矩傳感器及負(fù)載電機(jī)支架，負(fù)載電機(jī)支架采用立式安裝的方式安裝在基座單元末端。為了滿足圓光柵的安裝精度，測(cè)試機(jī)選用了高精密軸承，圓光柵通過主軸固定在軸承一端，主軸另一端選用雙膜片式聯(lián)軸節(jié)與力矩傳感器相連，減少由于不同心導(dǎo)致的振動(dòng)對(duì)測(cè)試精度的影響。

圖5 小型關(guān)節(jié)測(cè)試機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Mainframe structure of small-size EMA testing machine

5.1.1 夾具組件設(shè)計(jì)

考慮到不同型號(hào)關(guān)節(jié)的尺寸和形狀以及箱體的材質(zhì)和厚度，這里設(shè)計(jì)了專用的小型關(guān)節(jié)裝夾組件，如圖6所示，采用"鎖緊器-手輪-移動(dòng)滑板"的方式進(jìn)行定位控制，用于保證小型關(guān)節(jié)的安裝精度。為滿足不同尺寸小型關(guān)節(jié)的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了方便靈活的左右固定夾板及上下可調(diào)機(jī)構(gòu)。當(dāng)小型關(guān)節(jié)水平夾緊后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪以調(diào)整小型關(guān)節(jié)底部支撐組件高度，以達(dá)到測(cè)量要求。

圖6 小型關(guān)節(jié)夾具結(jié)構(gòu)Fig.6 Fixture for small-size EMA

5.1.2 光柵軸系設(shè)計(jì)

光柵主軸前端與小型關(guān)節(jié)輸出軸通過雙膜片式聯(lián)軸器相連，主軸上設(shè)有均勻分布的圓光柵安裝定位孔，保證了光柵與主軸的同步性。軸承內(nèi)圈與主軸配合，外圈和軸套配合，兩端設(shè)有端壓板，一側(cè)設(shè)有支座螺母將軸承并緊，使軸承、主軸以及安裝支座組成一個(gè)整體，減小主軸跳動(dòng)，提高光柵的安裝精度。末端與力矩傳感器相連，通過雙膜片式聯(lián)軸器傳遞力矩。

5.2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及信號(hào)采集系統(tǒng)集成在工控機(jī)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括小型關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以及負(fù)載電機(jī)控制系統(tǒng)，測(cè)控軟件通過CAN通信模塊對(duì)小型關(guān)節(jié)進(jìn)行直接控制，負(fù)載電機(jī)控制由配套的伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采集系統(tǒng)使用圓光柵、力矩傳感器、功率分析儀以及數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)角度數(shù)據(jù)、力矩?cái)?shù)據(jù)及電參數(shù)進(jìn)行采集。測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 小型關(guān)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)硬件Fig.7 System hardware for small-size EMA

測(cè)試過程中，工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)讀取圓光柵采集到的轉(zhuǎn)角信號(hào)，同時(shí)被測(cè)關(guān)節(jié)以1毫秒/次的采樣頻率不斷向工控機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)。工控機(jī)同時(shí)對(duì)輸入端與輸出端的角度進(jìn)行處理。同時(shí)，力矩傳感器采集力矩信號(hào)，功率分析儀采集關(guān)節(jié)電參數(shù)，實(shí)時(shí)同步發(fā)送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

5.3 測(cè)控軟件系統(tǒng)

圖8 小型關(guān)節(jié)測(cè)試機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)Fig.8 Testing software architecture for small-size EMA

測(cè)試系統(tǒng)軟件框架如圖8所示，測(cè)試軟件系統(tǒng)由上位機(jī)軟件系統(tǒng)與下位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。上位機(jī)軟件提供人機(jī)交互界面、測(cè)量參數(shù)的輸入、測(cè)量曲線顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)和顯示測(cè)量結(jié)果顯示。下位機(jī)軟件系統(tǒng)由測(cè)量流程控制模塊和功能模塊組成。測(cè)控軟件系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)保存，測(cè)量結(jié)果保存再現(xiàn)以及打印等功能。

6 測(cè)量試驗(yàn)與結(jié)果

所研制的服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)綜合性能測(cè)試機(jī)如圖9所示，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)每天承擔(dān)了大量的檢測(cè)任務(wù)，經(jīng)受了檢測(cè)實(shí)踐考驗(yàn)。以回差動(dòng)態(tài)測(cè)量的重復(fù)性、電參數(shù)及反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)量為例，說明測(cè)試機(jī)的性能。

圖9 小型關(guān)節(jié)測(cè)試機(jī)Fig.9 Photo of small-size EMA testing machine

6.1 重復(fù)性試驗(yàn)

回差動(dòng)態(tài)測(cè)量的重復(fù)性測(cè)試是指，同一關(guān)節(jié)一次裝夾在相同速度和負(fù)載情況下進(jìn)行10次測(cè)量，評(píng)定測(cè)試結(jié)果的分散性。小型關(guān)節(jié)在3 r/min的條件下，分別進(jìn)行空載測(cè)試和模擬實(shí)際工況0.8 N·m負(fù)載下的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 空載重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，在空載情況下，10次測(cè)量的小型關(guān)節(jié)回差動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果偏差為2.812 8%。在0.8 N·m負(fù)載情況下，結(jié)果偏差為2.911 1%，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了用戶的要求。

6.2 電參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)

對(duì)某型號(hào)額定力矩為2.5 N·m的小型關(guān)節(jié)進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量，分別進(jìn)行空載性能測(cè)量和負(fù)載測(cè)量，測(cè)得空載電流、空載轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩、堵轉(zhuǎn)電流、最大效率和最大功率等性能指標(biāo)，獲得轉(zhuǎn)矩-電流曲線、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩-功率曲線及轉(zhuǎn)矩-效率曲線，性能指標(biāo)如表5所示，測(cè)量所得曲線如圖10所示。將測(cè)量結(jié)果與小型關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明所測(cè)數(shù)據(jù)符合預(yù)期，驗(yàn)證了測(cè)試機(jī)電參數(shù)測(cè)量功能的有效性。

圖10 電參數(shù)測(cè)量曲線Fig.10 Measurement curves of electrical parameters

表5 電參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

6.3 反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)量試驗(yàn)

對(duì)小型關(guān)節(jié)進(jìn)行反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線中可以看出，輸出端力矩從0 N·m增加至0.125 N·m時(shí)，輸出端轉(zhuǎn)角為0.2°；當(dāng)負(fù)載力矩繼續(xù)增大至0.03 N·m時(shí)，克服最大靜摩擦力，輸出端轉(zhuǎn)角迅速增大，關(guān)節(jié)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，最大靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，力矩小幅度下降，測(cè)得小型關(guān)節(jié)反向啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.17 N·m。

圖11 反啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Fig.11 Reverse starting torque

7 結(jié) 論

本文針對(duì)服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)測(cè)試技術(shù)和儀器缺失的現(xiàn)實(shí)，研發(fā)了小型關(guān)節(jié)的成套測(cè)試技術(shù)與儀器。該儀器解決了小型關(guān)節(jié)測(cè)量手段缺乏的問題,實(shí)現(xiàn)了不同形狀、不同尺寸及不同類型的小型關(guān)節(jié)測(cè)量；解決了小型關(guān)節(jié)整體性能測(cè)量的難題。它不以小型關(guān)節(jié)的某一部件為測(cè)量對(duì)象，如減速器或電機(jī)，而是以小型關(guān)節(jié)整機(jī)為測(cè)量對(duì)象，對(duì)整機(jī)進(jìn)行綜合性能測(cè)量，解決了關(guān)節(jié)測(cè)量項(xiàng)目單一的問題；實(shí)現(xiàn)了小型關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度、機(jī)械特性和電參數(shù)的綜合測(cè)量，進(jìn)而為探究各參數(shù)之間的關(guān)系提供了基礎(chǔ)。

本服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)綜合性能測(cè)試機(jī)能夠滿足多種型號(hào)小型關(guān)節(jié)綜合性能測(cè)量的需求。長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試表明，該測(cè)試機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，從而為建立面向服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)的全局質(zhì)量評(píng)價(jià)體系奠定了基礎(chǔ)。